Spiegato: cos'è la supremazia quantistica?

La supremazia quantistica è una pietra miliare che è stata a lungo ricercata nell'informatica e ora Google ha annunciato di averla raggiunta. Uno sguardo alla scienza dietro il concetto, e cosa è stato realmente realizzato e quanto rimane.

Un componente del Quantum Computer di Google nel laboratorio di Santa Barbara, California, USA. (Foto via Reuters)

Questa settimana, Google ha annunciato di aver raggiunto una svolta chiamata supremazia quantistica nell'informatica. Cosa significa e perché è importante?

Allora, cos'è la supremazia quantistica?

È un termine proposto nel 2012 da John Preskill, professore di fisica teorica al California Institute of Technology. Descrive il punto in cui i computer quantistici possono fare cose che i computer classici non possono fare. Nel caso di Google, i ricercatori dell'Università della California, Santa Barbara, hanno affermato di aver sviluppato un processore che impiegava 200 secondi per eseguire un calcolo che avrebbe richiesto a un computer classico 10.000 anni.

Ma cos'è un computer quantistico?

I nostri computer tradizionali funzionano sulla base delle leggi della fisica classica, in particolare utilizzando il flusso di elettricità. Un computer quantistico, invece, cerca di sfruttare le leggi che governano il comportamento degli atomi e delle particelle subatomiche. A quella piccola scala, molte leggi della fisica classica cessano di essere applicate e entrano in gioco le leggi uniche della fisica quantistica.

Lo sviluppo di un computer di questo tipo è stato un obiettivo degli scienziati per quasi quattro decenni. Nel 1981, il fisico Richard Feynman scrisse: Cercare di trovare una simulazione al computer della fisica mi sembra un ottimo programma da seguire... La natura non è classica... e se vuoi fare una simulazione della natura, è meglio renderlo quantomeccanico, e perbacco è un problema meraviglioso, perché non sembra così facile.

Che differenza farebbe una simulazione del genere?

Si tratta di velocità di elaborazione. Vediamo come un computer classico elabora le informazioni. I bit di informazione sono memorizzati come 0 o 1. Ogni stringa di tali cifre (stringhe di bit) rappresenta un carattere o un'istruzione univoca; ad esempio, 01100001 rappresenta la a minuscola.

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In un computer quantistico, le informazioni vengono archiviate in bit quantistici o qubit. E un qubit può essere sia 0 che 1 allo stesso tempo. La fisica quantistica coinvolge concetti che persino i fisici descrivono come strani. A differenza della fisica classica, in cui un oggetto può esistere in un posto alla volta, la fisica quantistica esamina le probabilità che un oggetto si trovi in punti diversi. L'esistenza in più stati è chiamata sovrapposizione e le relazioni tra questi stati sono chiamate entanglement.

Maggiore è il numero di qubit, maggiore è la quantità di informazioni memorizzate in essi. Rispetto alle informazioni memorizzate nello stesso numero di bit, le informazioni in qubit aumentano in modo esponenziale. Questo è ciò che rende un computer quantistico così potente. Eppure, come ha scritto Preskill di Caltech nel 2012, costruire hardware quantistico affidabile è impegnativo a causa della difficoltà di controllare accuratamente i sistemi quantistici.

Sundar Pichai con uno dei computer quantistici di Google nel laboratorio di Santa Barbara, California, USA. (Foto via Reuters)

È questo che Google ha ottenuto?

I ricercatori hanno dimostrato di cosa è capace un computer quantistico. Hanno costruito un'architettura di 54 qubit con Sycamore, il computer quantistico di Google. Mentre uno di questi non ha funzionato, gli altri 53 qubit sono stati impigliati in uno stato di sovrapposizione.

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Il team ha composto una sequenza casuale di circa 1.000 operazioni. Ogni volta che eseguivano questo algoritmo casuale, il computer quantistico produceva una stringa di bit.

Ora, alcune stringhe di bit hanno maggiori probabilità di verificarsi rispetto ad altre ed è possibile identificare quali sono più probabili. Tuttavia, più complesso è il circuito quantistico casuale, più difficile per un computer classico identificare le stringhe di bit più probabili e la difficoltà è cresciuta in modo esponenziale. La supremazia è stata raggiunta quando hanno dimostrato che il processore quantistico impiegava appena 200 secondi per calcolare un algoritmo casuale super complesso, mentre il supercomputer più veloce avrebbe impiegato 10.000 anni, ha detto Google in una e-mail.

Quindi, a cosa serve?

Nessuno, per quanto riguarda le applicazioni pratiche. L'attività svolta non è molto importante per questa pietra miliare; si tratta molto di più del fatto che il traguardo è avvenuto in primo luogo, ha detto l'e-mail di Google. Ha citato i fratelli Wright come un'analogia: per dimostrare che l'aviazione è possibile, non importava tanto dove fosse diretto l'aereo, dove fosse decollato e atterrato, ma che fosse in grado di volare.

Sono tutti convinti?

IBM ha contestato l'affermazione di Google secondo cui il suo calcolo quantistico non potrebbe essere eseguito da un computer tradizionale. In un post sul blog, IBM ha affermato che il calcolo descritto dai ricercatori di Google potrebbe essere ottenuto da un computer esistente in meno di due giorni e mezzo, non in 10.000 anni.

Per inciso, la stessa IBM ha affermato giovedì una svolta nel calcolo quantistico. I suoi ricercatori hanno compiuto un passo avanti nel controllo del comportamento quantistico dei singoli atomi, dimostrando un nuovo e versatile elemento costitutivo per il calcolo quantistico, ha affermato IBM sul suo sito web. Il documento è pubblicato sulla rivista Science. La ricerca di Google compare su Nature.

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E dopo?

Gli scienziati stanno cercando di migliorare il loro lavoro, compreso il rilevamento e la correzione degli errori. L'Università della California, Santa Barbara, ha osservato che la ricerca ha già realizzato uno strumento molto reale per la generazione di numeri casuali. I numeri casuali possono essere utili in una varietà di campi, inclusa la protezione delle chiavi crittografate per la decrittazione, che potrebbe essere una questione potenzialmente spinosa per i governi.

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I computer quantistici potrebbero un giorno portare a enormi progressi nella ricerca scientifica e nella tecnologia. Tra le aree che possono guadagnare ci sono l'intelligenza artificiale e le nuove terapie farmacologiche. Tutto questo, però, è molto lontano.

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